组氨酸激酶CheA的二聚结构域与催化结构域之间连接的高活性突变体筛选及功能研究

发布时间：2020-04-06 15:15

【摘要】：细菌趋化性是细菌趋利避害选择适宜生长环境的一种机制。这一现象是由一个信号转导通路实现的:不同种类的膜蛋白化学受体的细胞外结构域通过与环境中的分子相结合,起到探测信号的作用,并且与细胞内的单一且保守的组氨酸激酶(CheA)的调节结构域(P5)以及一个小的衔接蛋白(CheW)的相互作用,形成了一个稳定的信号复合体,在这个信号复合体中CheA的自磷酸化活性被跨膜的化学受体严格控制。具有可调控的酶活性的CheA处于细菌趋化性信号转导途径的中心位置,起到信号整合,转化和扩增的核心作用。尽管近年来对信号复合体的结构解析取得了突破性进展,但是CheA活性在信号复合体调节内被严格调控的分子机制仍然不清楚。在由二聚结构域(P3)、ATP结合/催化结构域(P4)和P5三个结构域组成的激酶核心中,各个结构域看似行使一项孤立的基本功能,但是在CheA的功能和调控中又是相关联的。我们实验室之前的研究表明这三个结构域之间的连接对激酶的活性和调节起到了重要的作用:如简单的P3-P4连接单突变就能够明显降低激酶的基础自磷酸化活性并导致激酶被激活能力的缺失。本研究根据这一重要发现对该连接展开了更深入的研究,旨在探索该域间连接是否真正具备影响激酶调节的能力。对CheA P3-P4域间连接高活性突变的筛选发现通过改变该连接的氨基酸序列能够使激酶活性明显增加,其中获得的最高激酶活性为野生型CheA激酶活性的46倍。在缺少P5或同时缺失P5和P4-P5连接时,P3-P4连接突变体无法实现提高自磷酸活性。这一结果表明单独的P3-P4域间连接氨基酸序列的改变不足以完成对激酶活性的调控,它对激酶活性的影响需要P5结构域甚至P4-P5连接的配合来实现。通过将高活性的P3-P4连接和之前我们研究组获得的高活性P4-P5连接组合,虽然没有实现更高的激酶活性,但呈现出不同的CheA活性,甚至是低于野生型的抑制状态,表明两个域间连接对激酶活性的影响不是叠加性的,但相互影响、共同影响激酶的催化结构域活性。在实现高基础自磷酸化活性的情况下,这些高活性P3-P4突变体在体内无法行使正常的细菌趋化性;对它们体外生物化学研究显示在受体介导的情况下,P3-P4域间连接突变并不影响天然存在的受体介导的CheA激活途径,但却干扰到了受体介导的激酶活性的抑制途径。因此,导致高激酶活性的CheAP3-P4连接突变通过破坏CheA的抑制通路,打破CheA原有的处于激活和抑制状态之间的平衡,从而使CheA表现出了高基础自磷酸化活性。
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１．２组氨酸激酶ＣｈｅＡ的简介逡逑ＣｈｅＡ通常以二聚体的形式存在，二聚化是其活性所必须的。每个ＣｈｅＡ单体由５个结逡逑构域组成ｆ９，每个结构域行使特定的功能（图１．１）：第一个结构域（ＰＩ，Ｈｉｓｔｉｄｉｎｅ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ逡逑ｐｈｏｓｐｈｏｔｒａｎｓｆｅｒｄｏｍａｉｎ）含有一个保守的组氨酸，由五个螺旋束组成，通过２４个氨基酸残逡逑基的域间连接连接着Ｐ２结构域。在第四个结构域的催化下这个组氨酸被ＡＴＰ磷酸化，并逡逑迅速将此高能磷酸基团进一步传递给应答调控分子ＣｈｅＹ；第二个结构域（Ｐ２，邋ＣｈｅＹ邋ｂｉｎｄｉｎｇ逡逑ｄｏｍａｉｎ）结合ＣｈｅＹ，以达到提高Ｐ１与ＣｈｅＹ之间a愃峄�团的传递速率和保证此催化反应逡逑的特异性；第三个结构域（Ｐ３，Ｄｉｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｄｏｍａｉｎ）二聚结构域，它可以与另一邋ＣｈｅＡ分逡逑子的Ｐ３结构域结合，形成二聚体；第四个结构域（Ｐ４，ＡＴＰｂｉｎｄｉｎｇ／ｃａｔａｌｙｔｉｃ邋ｄｏｍａｉｎ）催逡逑化结构域，，它能够结合ＡＴＰ，通过一个单体上的Ｐ４结构域催化ＡＴＰ的ｙ－磷酸基团与另一逡逑单体的Ｐ１结构域的反式自磷酸化反应；最后一个结构域（Ｐ�

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